一種脈寬調制功率放大器的研制

楊路華

（陜西華經微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

本文設計了一種脈寬調制功率放大器，用于有刷電機控制、活動磁懸浮線圈驅動以及磁性線圈驅動等。該產品是將PWM調制信號進行隔離放大，加入死區時間，產生四路驅動信號，分別驅動H橋的4個功率MOS管和后級負載電路正常工作，輸出電壓的大小與PWM信號的占空比有關。

1 產品的技術指標

該產品的主要技術指標如下：工作電壓VCC1=25～31 V，VCC2=（5±1） V；零輸出電流≤0.2 A；效率≥90%；控制輸入電壓為5 V TTL；時鐘頻率≤6 kHz；輸出峰值電流≥5 A；輸入輸出隔離電壓≥500 V；輸入輸出隔離電流≤10 μA；占空比為2%～98%；外形尺寸最大為97 mm×47 mm×19 mm；工作溫度TC的范圍為-55～+125 ℃；常溫通電壽命≥2 800 h。

2 設計方案

2.1 電路設計及工作原理

脈寬調制功率放大器由PWM信號輸入及隔離、使能控制信號輸入及隔離、后級4.7 V供電電路、脈沖整形、180°脈寬產生電路、死區產生電路、MOS管驅動電路、H橋功率輸出電路以及輸出濾波電路組成[1-3]。電路原理框圖見圖1。

圖1 電路原理框圖

PWM信號輸入隔離使用高速光電耦合器隔離，隔離電壓≥1 000 V，使能控制輸入信號隔離使用普通光電耦合器隔離，隔離電壓≥1 000 V，4.7 V供電電路為了給后級數字電路提供工作電壓，采用了簡單的穩壓電路來實現，脈沖整形電路用數字電路反向器使信號的幅度、上升時間以及下降時間達到后級要求，180°脈寬產生電路利用數字電路使信號移相180°滿足后級的要求，死區產生電路由一個反向器、電容以及與門組成，延遲時間約200 μs，以保證H橋橋臂的上端功率MOS管與下端功率MOS管不會同時導通。

MOS管驅動電路如圖2所示，用一只三極管驅動下端功率MOS管，兩只三極管驅動上端功率MOS管。其原理為前級輸出PWM信號以互補的方式分別輸入到三極管Q1和Q3的基極，此時當Q1基極輸入信號為低電平時Q1關斷，Q2基極電壓和發射極電壓相同，Q2截止，P溝道MOS管Q5柵極電壓由電阻R9和R10分壓確定，通過設計合適的電阻值，P溝道MOS管柵源電壓達到導通條件，Q5漏源導通。同時，由于此時為互補信號，因此Q2基極輸入信號為高電平，Q2導通，N溝道MOS管Q4柵源電壓為0 V，Q4關斷，在Q5導通Q4關斷的條件下，輸出為高電平。反之，當Q1基極信號為高電平時Q1導通，Q2基極電壓由電阻R7和R8確定，設計合適的電阻值，Q2導通，此時Q5柵源電壓為0 V，Q5關斷。由于為互補信號，因此Q3基極電壓為低電平Q3關斷，Q4柵源電壓由電阻R13和R14分壓確定，設計合適的電阻值，Q4導通，在Q4導通Q5關斷的條件下，輸出為低電平。

H橋功率輸出電路由4只功率MOS管組成，上管為P溝道MOS管，下管為N溝道MOS管。工作時，Q5和Q10導通時，Q4和Q11截止，Q4和Q11導通時，Q5和Q10截止[4]。輸出濾波電路起平滑電流和抑制尖脈沖的濾波作用。

脈寬調制功率放大器的工作原理為輸入的脈寬調制PWM信號經過高速光電耦合器隔離，再經過脈沖整形電路整形后送入后級，由死區產生電路形成約200 μs的延遲時間，一路送入驅動電路驅動相應的功率MOS管工作，一路送入180°脈寬產生電路得到需要的脈沖送入驅動電路驅動相應的功率MOS管工作。另外由MOS管H橋輸出與輸入信號相對應的方波信號，由濾波電路濾波，輸出直流電壓帶動負載工作。

使能控制信號為低電平有效，此時電路正常工作。當使能控制信號為高電平時，光耦U4的C極輸出為高電平，U1B輸出也為高電平，使得Q6的C極輸出為低電平。經過二極管V4將Q7的C極PWM信號鉗位到低電平后，上橋臂功率MOS管Q11不工作，電路無輸出。內部的+4.7 V電源由R4、V1、C3以及C4組成，為U1、U2、U3以及U4提供穩定的工作電壓。

2.2 結構工藝設計和可靠性設計

圖2 電路原理圖

根據功率電路的工藝要求，引出端應采用專用接插件從殼體側面引出，具有防插錯設計。殼體底面設計有4個安裝孔，便于固定。殼體材料定為鋁，導熱率高且重量輕。殼體表面鍍鎳，增強對環境的適應能力。腔體式結構有助于防止組裝過程中對電路的損傷。此外，在組裝工藝方面采用了厚膜和PCB板工藝相結合的方式。功率發熱部分主要為H橋的4個大功率管，將其再流焊到陶瓷基板上，陶瓷基板再流焊到外殼底座上。控制電路部分主要貼裝在PCB板上，PCB板用螺絲固定到外殼上并用膠固定[5]。

該產品為功率器件，影響產品可靠性最大的因素為產品熱設計的合理性。要使發熱源的發熱量減為最小，因此要選用導通電阻小的功率MOS管。其次為了降低熱阻，基板選用散熱性能好的96% Al2O3陶瓷基板，厚度為1.0 mm，底座選用良導熱的鋁底座（導熱率為237 W/m·K），有利于將電路產生的熱量迅速傳遞到外界環境中。先將功率MOS管焊接在陶瓷基板上，再將陶瓷基板芯組焊接在底座上，焊接空洞率要求控制在5%以內，這樣就將整個電路的熱阻降到最小，從而提高產品的可靠性。最后陶瓷基板導體采用鈀銀材料，保證焊接可靠，而且要求導帶的厚度≥40 μm，寬度≥2 mm，通過大電流的導帶應盡量短。根據可靠性預計理論計算，該產品的平均故障間隔時間為9.1×104h。

3 技術難題及解決措施

3.1 產品發熱問題

初樣產品測試過程中發現產品發熱，效率低于90%，經分析是由于MOS管在工作時損耗超出預期造成的。前期MOS管選型時，已針對其導通電阻進行了計算和選擇，因此在解決該問題時可以先排除MOS管選型問題。在驅動能力方面，前級驅動信號通過放大，驅動能力大于2 A，不存在驅動能力不足問題。另外由于該產品核心是H橋驅動電路，當電路處于開關狀態時要防止其共態導通，保護電源，使其工作在安全狀態下，因此應在電路中加入死區時間設計，使輸入信號與柵極驅動輸出之間的傳播延遲時間不一樣。針對現存的產品發熱現象，初步懷疑是死區時間設計不合理造成了MOS管損耗超出預期。通過分析波形，調整死區時間，使其開啟時間大于120 ns，關斷時間為95 ns，產生大于25 ns的死區時間，然后進行試驗驗證產品的發熱問題得到了解決[6]。

3.2 輸出電壓不對稱問題

在樣品調試過程中出現輸出電壓不對稱現象時，通過逐層對比分析各點的波形，發現是PWM信號經過光電耦合器后，由于PWM波的上升時間和下降時間長造成的。經過理論分析和試驗對比驗證可知，該問題是由隔離輸入信號的光電耦合器速度慢引起的，將其換成高速光電耦合器后問題得以解決。

3.3 常溫通電壽命的經濟性驗證問題

該產品要求常溫通電壽命要大于2 800 h（約為117天），時間很長，在實際操作中經濟性很差，因此需要對其進行分析，找到一種經濟性的替代驗證方法。GJB 548B方法1005規定的穩態壽命時間與溫度的對應關系和根據規律推算的穩態壽命時間與溫度的對應關系如表1所示。

表1 穩態壽命時間與溫度的對應關系

在表1中，125 ℃環境下加載通電需要1 000 h，120 ℃環境下加載通電需要1 500 h，相差500 h，115 ℃環境下加載通電需要2 000 h，110 ℃環境下加載通電需要3 000 h，相差1 000 h，以此類推在85 ℃環境下加載通電需要33 500 h，由此可以推算出當產品在125 ℃環境下加載通電1 000 h時，可以滿足常溫通電壽命要大于2 800 h的要求。

4 協議和實測電特性對比

根據對樣品的測試，產品技術指標達到情況見表2。

5 結 論

本次設計的一種脈寬調制功率放大器具有瞬時功率大、效率高、隔離度高、驅動電流大、輸入信號范圍寬、體積小以及重量輕等特點，主要用于電機驅動。在航空、航天以及國防建設事業，大型系統的方向控制、姿態控制以及角度控制等直流伺服電機驅動中就需要用到脈寬調制功率放大器，應用前景非常廣闊。該產品的推廣應用，也必然帶來很好的經濟效益。

表2 協議和實測電特性對比